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寿命绝缘-一些发达国家已经将低重稀土永磁体用于电机产品中

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【国乒包揽五项冠军】

而我國生產的耐電暈絕緣材料,其原料基本來自國外廠家,“例如納米粒子改性聚酯亞胺等原材料和耐電暈柔軟複合紙等,隨時會遭遇卡脖子。”蔡蔚說,賣方市場的強勢,讓國內用戶無可奈何。

從功率密度4.2—5.3kW/kg的第一代圓股線繞組電機,到功率密度6.3kW/kg的第二代扁銅線繞組電機,永磁電機的產品和樣件指標,均比肩或超過歐美日韓等一線汽車電機製造商的產品水平。

把“命門”掌握在自己手中金鳳前不久,隨著吉利汽車、中通客車(000957,股吧)等國內知名車企的電動車下線,精進百思特電動(上海)有限公司(以下簡稱精進電動)牽頭研發的新能源汽車高性能永磁電機已經裝機超7萬台。

在該項目中,蔡蔚聯合蘇州巨峰絕緣材料有限公司(以下簡稱巨峰),用納米粒子與漆包線漆基體樹脂的複合技術,突破納米粒子在漆包線漆基體樹脂中難分散的技術瓶頸,製備了均勻分散的納米分散液,成功製備耐電暈漆包線漆。

“以往,往往會把鏑或鋱等重稀土,像揉面一樣,與其他永磁體原材料揉在一起。現在通過細化晶格,將重稀土滲入磁體,哪裡需要滲到那裡,用量少而精準。”

驅動電機比肩世界一流汽車電機製造商

同時,第二代扁電磁線繞組電機也已經完成樣件製造和性能測試,進入試驗認證環節。通過巧妙設計,他們解決了多並聯支路波形繞組排布拓撲問題,調節冷卻和焊接參數,攻剋多套薄扁線電機繞組製造難題,提高了電機極對數和轉速,把電機做得更小,銅線、硅鋼片等材料用得更少,單位功率耗材更少,性價比更高。

“功率密度從4.3kW/kg提高到6.3kW/kg,超過了美國通用Bolt電機4.6kW/kg的功率密度和寶馬i3電機的3.8kW/kg的功率密度,也超過了美國規劃的其2025年新能源汽車電機5.7kW/kg的指標。”蔡蔚說。

今年9月,中共中央、國務院印發了《交通強國建設綱要》,強化前沿關鍵科技研發,瞄準新一代信息技術、人工智能、智能製造、新材料、新能源等世界科技前沿,被寫入《綱要》。

在此基礎上,第三代換位導體繞組電機也已經啟動研發。

如何高效使用重稀土資源,以避免資源短缺又降低成本?在該國家專項中,蔡蔚牽頭,聯合煙臺首鋼磁性材料股份有限公司,研發滲滴技術和晶格細化技術,將重稀土使用量最高減少五成。

蔡蔚介紹,研發人員們用晶粒度細化和微觀結構一致性工藝,填補了國內細粉工藝的空白,量產35EH磁體的鏑含量,由7wt%—8wt%降低到5wt%,減少重稀土使用量20%以上。同時,他們將細粉工藝與擴散工藝相結合,42EH磁體的鋱含量,由8wt%降低到等效鏑4.5%,減少重稀土使用量40%—50%。

新能源汽車的發展離不開電驅動的核心零部件——電機系統。高速高效高可靠性的電機,能讓新能源電動車的能耗更低、壽命更長。

兩年來,該公司等17家單位在國家“十三五”重點研發計劃新能源汽車驅動電機專項中,帶動上游產業鏈突破技術瓶頸、填補了多項國家技術和產品空白。其中,高端稀土永磁體的重稀土使用量,降低近50%;絕緣材料長期耐溫超200℃,圓電磁線耐電暈壽命達國標數倍以上;漆包扁線耐電暈壽命大於90小時……

高端永磁體重稀土用量降五成在全球新能源汽車電驅動中,永磁電機占比近90%。在永磁體中加入鏑、鋱等重稀土,可以保持剩磁並提高矯頑力。“但是,重稀土在稀土礦中的儲量較少,而隨著新能源電動車的普及,國內外大規模生產稀土永磁電機,重稀土的使用將會面臨資源短缺瓶頸。”蔡蔚說,一些發達國家已經將低重稀土永磁體用於電機產品中。

作為新能源汽車的心臟,驅動電機中有很多電磁線。電磁線和絕緣材料如果耐受不了電機運行中的高電壓、高溫、高電壓變化率,就容易被擊穿,降低電機使用壽命。

自2017年啟動國家重點研發計劃以來,蔡蔚作為專項負責人帶領精進電動等單位,完成了功率密度4.2kW/kg的第一代圓股線繞組電機的技術創新、批量生產與裝車應用。

部分曾經依賴進口的原材料、核心部件與器件等已經實現自主研發和生產,有的材料不僅使用壽命比國外翻番,成本也僅為國外的六成。

但我國的稀土永磁體製備和永磁電機曾長期受制於日本。“以前日本買中國的稀土永磁原材料,做成永磁體甚至電機後,再高價賣給我們或出口歐美。”蔡蔚說。

在蔡蔚看來,汽車產業是公路交通的重中之重,“汽車核心零部件強,我國汽車產業則強”。

目前,巨峰研發的耐電暈聚酯亞胺浸漬樹脂,長期使用溫度超過200℃。其研發的耐電暈漆包扁線耐電暈實驗壽命大於90小時,填補了國內空白,超過了國際競爭對手的指標。耐電暈漆包圓線耐電暈壽命大於100小時,達國家標準要求的10倍以上。

部分絕緣材料耐電暈壽命達國標10倍以上

電機的電流是靠繞組傳導的,繞組之間以及繞組與鐵芯之間需要絕緣。而低電阻和絕緣可靠是對電機繞組的基本要求。

《中國的稀土狀態與政策》白皮書曾指出,中國以23%的稀土資源承擔了世界90%以上的市場供應。

21世紀初,知名電機專家蔡蔚,就曾發明“發卡式繞組”電機,後被應用於通用汽車雪弗蘭Tahoe混合動力車,這是全球第一個“發卡式繞組”電機在汽車電驅動領域的應用。

截至2019年6月30日,該項目的第一代圓股線繞組電機累計在乘用車裝車6.8萬台,商用車裝車近4000台。